宋曉暖， 溫亞楠， 朱建鑫

（青島市光電工程技術(shù)研究院，山東青島 266000）

0 引 言

隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，當(dāng)今世界各國(guó)在海洋研究、港口勘察、海底礦產(chǎn)勘測(cè)、水下工程以及海洋牧場(chǎng)等領(lǐng)域研制了大量水下裝備。各類水下裝備幾乎都配有水下攝像和照明系統(tǒng)，如水下機(jī)器人、水下監(jiān)測(cè)平臺(tái)等，尤其在海洋牧場(chǎng)中水下攝像和照明系統(tǒng)更被大量采用。由于部分水下裝備需要長(zhǎng)期在水下工作，故現(xiàn)今水下攝像機(jī)系統(tǒng)面臨如下主要難點(diǎn)：由于水下攝像裝置長(zhǎng)期工作在水下,尤其是海洋領(lǐng)域，海洋中微生物種類繁多，環(huán)境因素復(fù)雜多變，造成攝像機(jī)透明視窗和照明燈裝置透明視窗很容易被生物附著而影響視頻畫(huà)面拍攝。傳統(tǒng)方式是將其打撈到岸上進(jìn)行定期清潔，不免造成時(shí)間消耗從而影響水下監(jiān)測(cè)的進(jìn)度，同時(shí)提高了作業(yè)成本[1]。針對(duì)解決此類問(wèn)題的需要，研究開(kāi)發(fā)一種可以長(zhǎng)期、連續(xù)、可靠地在水下自動(dòng)清洗攝像和照明等系統(tǒng)玻璃窗口的裝置十分必要，并且應(yīng)用前景廣闊。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

水下電動(dòng)清洗裝置主要作業(yè)對(duì)象，是針對(duì)長(zhǎng)期位于水下工作的攝像和照明系統(tǒng)的玻璃窗口或其他需要清洗的平面結(jié)構(gòu)，因此需要具有以下主要功能：1)較長(zhǎng)期、連續(xù)、可靠地在水下按預(yù)定指令自動(dòng)完成清洗工作；2）滿足0～1 MPa壓力環(huán)境下正常工作；3)具有遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)操控、監(jiān)控、集成聯(lián)網(wǎng)功能；4)具有良好的模塊化、通用化設(shè)計(jì)和產(chǎn)品適配性；5)物美價(jià)廉，適合不同環(huán)境下大規(guī)模配套使用。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

水下清洗技術(shù)的發(fā)展分為3個(gè)階段:第1階段為手工操作階段，由潛水員下水進(jìn)行清洗工作；第2階段為機(jī)械操作階段，由專用清洗器、涂裝機(jī)等機(jī)械完成大型船舶的清洗任務(wù)，具有較高的工作效率；第3階段為遙控機(jī)械或機(jī)器人作業(yè)階段，為在惡劣海洋環(huán)境下開(kāi)展清洗工作提供了保障[2]。

該水下電動(dòng)清洗裝置是水下清洗技術(shù)發(fā)展到第3階段的具體體現(xiàn)，裝置由兩部分組成，一是水上便攜式操控終端，既能實(shí)現(xiàn)水下攝像機(jī)的視頻數(shù)據(jù)接收、存儲(chǔ)、播放等功能，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下電動(dòng)清洗裝置的遠(yuǎn)程控制；二是位于水下清洗作業(yè)的水下電動(dòng)清洗裝置主機(jī)。本文主要針對(duì)該水下電動(dòng)清洗裝置主機(jī)部分進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，其主要由水下電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、清洗刷以及輔助安裝結(jié)構(gòu)組成。水下電動(dòng)清洗裝置主機(jī)工作狀態(tài)示意圖如圖1所示。

圖1 水下電動(dòng)清洗裝置主機(jī)工作狀態(tài)示意圖

2.2 水下電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)

水下電動(dòng)機(jī)是水下電動(dòng)清洗裝置主機(jī)的關(guān)鍵部件。目前，水下電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)主要有以下幾種方法：第一種為“氣球法”，選用普通電動(dòng)機(jī)，根據(jù)普通電動(dòng)機(jī)的外形尺寸設(shè)計(jì)一個(gè)外殼，殼體采用靜密封，電動(dòng)機(jī)輸出軸采用動(dòng)密封，纜線接口采用成熟的水密插頭；第二種為“壓力補(bǔ)償法”，由于壓力改變引起“泵吸現(xiàn)象”(壓力改變所致壓縮和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)會(huì)使水通過(guò)密封薄弱處的小裂紋漫漫滲入電動(dòng)機(jī)內(nèi))，所以將電動(dòng)機(jī)內(nèi)部注滿油，并利用光導(dǎo)調(diào)壓模、內(nèi)置水壓、油壓循環(huán)潤(rùn)滑裝置和隔膜補(bǔ)償平衡[3]；第三種方法是一體化水下電動(dòng)機(jī)，主要解決電動(dòng)機(jī)的水密和系統(tǒng)體積、重量等問(wèn)題，針對(duì)水下使用要求，根據(jù)電動(dòng)機(jī)開(kāi)發(fā)原理，專門(mén)研制一型特種電動(dòng)機(jī)。

圖2 水下電動(dòng)清洗裝置水下電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

考慮到該水下電動(dòng)機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)縮短開(kāi)發(fā)周期，因此本文選用了一型普通直流有刷電動(dòng)機(jī)封裝成水下電動(dòng)機(jī)的方法，俗稱“氣球法”。選用成熟的陸上普通直流有刷電動(dòng)機(jī)作為封裝對(duì)象，主要有以下優(yōu)勢(shì)：1)包括電動(dòng)機(jī)本身以及對(duì)應(yīng)的控制系統(tǒng)成熟、可靠，同時(shí)規(guī)格多樣；2)封裝后的水下電動(dòng)機(jī)通用性好，可以滿足不同水深下的不同使用需求；3)水下電動(dòng)機(jī)投入的研發(fā)成本低、開(kāi)發(fā)周期短，具有良好的價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

該水下電動(dòng)機(jī)主要由輸出軸、前端蓋、普通直流有刷電動(dòng)機(jī)、控制模塊、輸出軸位置檢測(cè)單元、筒體、后端蓋、密封件等主要部分組成，組成該水下電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)零部件均采用防海水腐蝕的金屬材料加工制造。

2.2.1 水下電動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

該水下電動(dòng)機(jī)的主要物理參數(shù)：型號(hào)為UM-DPN-24-40-52S-D100；有刷直流型式；額定電壓24 V；額定功率40 W；額定轉(zhuǎn)速52 r/min；深度等級(jí)≥100 m；尺寸為φ65 mm×260 mm；質(zhì)量約2 kg。

2.2.2 水下電動(dòng)機(jī)密封設(shè)計(jì)

密封設(shè)計(jì)是水下電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，密封一般分為靜密封和動(dòng)密封。常見(jiàn)的密封形式有：O形密封圈密封、O形密封圈與聚四氟乙烯滑環(huán)組合密封、機(jī)械密封和磁流體密封等。

1）靜密封設(shè)計(jì)。筒體，前、后端蓋構(gòu)成一個(gè)密封殼體，屬于靜密封問(wèn)題。為此,在前、后端蓋處采取O形密封圈的方法，凡與O形密封圈接觸的地方不得有毛刺及銳角以防O形密封圈被劃傷[4]。O形密封圈的一般通用橡膠材料有：丁苯橡膠、順丁橡膠、氯丁橡膠、丁基橡膠和丁腈橡膠；特種橡膠材料有：乙丙橡膠、氯磺化聚乙烯橡膠、丙烯酸酯橡膠、硅橡膠、氟橡膠等[5]。為了防止海水的強(qiáng)烈腐蝕，所以O(shè)形密封圈采用丁腈橡膠材料,以保證接觸海水雜質(zhì)后不會(huì)變形而失去密封效果。

電動(dòng)機(jī)引出線處同樣是靜密封，根據(jù)水下環(huán)境使用和可靠性要求，此處一般采用成熟水密接插件產(chǎn)品，用于水下電動(dòng)機(jī)與外部電源或者控制終端連接。產(chǎn)品采用橡膠注塑，面板安裝采用黃銅或不銹鋼，具有體積小、質(zhì)量輕、耐磨、高可靠性，通過(guò)螺紋、密封圈安裝在殼體后端面上，既可以很好地實(shí)現(xiàn)水下電動(dòng)清洗裝置的供電和控制，也可靠地實(shí)現(xiàn)密封。

2）動(dòng)密封設(shè)計(jì)。水下電動(dòng)機(jī)密封中最難解決的問(wèn)題之一是輸出軸的動(dòng)密封。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)，軸與殼體處就有間隙存在，如果仍采取在軸與殼體間加O形密封圈的密封方法，當(dāng)電動(dòng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致O形密封圈的磨損、發(fā)熱乃至變形，在較高的水壓下就容易漏水。

針對(duì)動(dòng)密封問(wèn)題，在此采取組合密封，即O形密封圈與聚四氟乙烯滑環(huán)組合密封，俗稱格萊圈密封，實(shí)質(zhì)是將軸與殼體之間的間隙轉(zhuǎn)換為靜環(huán)與動(dòng)環(huán)之間的間隙。旋轉(zhuǎn)格萊圈由一個(gè)橡膠O形密封圈及聚四氟乙烯圈組合而成，最大使用壓力0～30 MPa，依其本身的變形對(duì)密封表面產(chǎn)生較高的初始接觸應(yīng)力，壓力液體通過(guò)O形密封圈的彈性變形最大限度地?cái)D壓方形密封圈，使之緊貼密封表面而產(chǎn)生較高的隨壓力液體的壓力增高而增高的附加接觸應(yīng)力，并與初始接觸應(yīng)力一起共同阻止壓力液體的泄漏。

因此該水下電動(dòng)機(jī)動(dòng)密封設(shè)計(jì)的具體方法是在延長(zhǎng)輸出軸和前端蓋結(jié)合處采用兩道旋轉(zhuǎn)格萊圈組合密封，并且其中一道是軸用旋轉(zhuǎn)格萊圈，另一道是孔用旋轉(zhuǎn)格萊圈，分別安裝在前端蓋中的溝槽里和延長(zhǎng)輸出軸的溝槽里，這樣既達(dá)到了動(dòng)密封的目的，也提高了密封的可靠性。

2.2.3 水下電動(dòng)機(jī)耐壓設(shè)計(jì)

由于水下設(shè)備需要長(zhǎng)期、持續(xù)地承受水下壓力，因此設(shè)備的耐壓設(shè)計(jì)也是一個(gè)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。該水下電動(dòng)機(jī)主要通過(guò)圓柱筒體，前、后端蓋承受外壓，屬于外壓圓筒設(shè)計(jì)，可根據(jù)相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)。但由于封裝的需要，額外設(shè)計(jì)增加了一根延長(zhǎng)用輸出軸，因此為了保證該水下電動(dòng)機(jī)能夠長(zhǎng)期可靠地在水下工作，避免外壓通過(guò)延長(zhǎng)輸出軸對(duì)殼體內(nèi)的直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生影響，所以在前端蓋和輸出軸處配有軸向推力球軸承，以保證水下電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期使用的可靠性。

2.2.4 水下電動(dòng)機(jī)傳輸控制

對(duì)水下電動(dòng)機(jī)的控制，采用水下復(fù)合纜，將電源線和控制線經(jīng)過(guò)屏蔽、水密處理復(fù)合到一根纜線中。水面控制單元通過(guò)復(fù)合纜與水下電動(dòng)機(jī)控制模塊連接，同時(shí)也可以將水下攝像機(jī)和水下照明燈接入到水面控制單元，以實(shí)現(xiàn)集成化設(shè)計(jì)，既能實(shí)現(xiàn)水下視頻的傳輸、存儲(chǔ)、播放等，也能實(shí)現(xiàn)對(duì)水下電動(dòng)清洗裝置的控制。

2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和清洗刷設(shè)計(jì)

水下電動(dòng)清洗裝置的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)同時(shí)也是清洗裝置。刷桿頂端與水下電動(dòng)機(jī)輸出軸固定，實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)。根據(jù)需要刷桿一側(cè)一字型布置多個(gè)小行星輪并相互嚙合，并且每一個(gè)小行星輪連接一個(gè)圓盤(pán)刷，同時(shí)最上端的一個(gè)行星輪與固定在水下電動(dòng)機(jī)前端法蘭上的太陽(yáng)輪嚙合。刷桿在水下電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下往復(fù)擺動(dòng)從而帶動(dòng)行星輪旋轉(zhuǎn)，也從而帶動(dòng)了圓盤(pán)刷的旋轉(zhuǎn)。刷桿的往復(fù)擺動(dòng)和圓盤(pán)刷的旋轉(zhuǎn)將與刷毛接觸的玻璃窗口上的雜質(zhì)或生物掃除，從而使雜質(zhì)或生物不會(huì)在玻璃窗口附著，保持了玻璃窗口的潔凈，從而保證了玻璃窗口的通透性。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分別對(duì)水下電動(dòng)機(jī)和水下電動(dòng)清洗裝置整機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試，結(jié)果表明該裝置可以長(zhǎng)期、連續(xù)可靠地在水下環(huán)境工作；同時(shí)對(duì)水下玻璃窗口的清洗效果滿足設(shè)計(jì)要求。

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